黃銀 陳浩

摘 要 目前老齡化已成為中國(guó)面臨的大問題，心血管疾病的發(fā)病率也變得越來越高，通過調(diào)查我們初步了解到，心血管疾病在我國(guó)病發(fā)率仍在持續(xù)增加，在五個(gè)成年人中就有一個(gè)患有心血管類的疾病。心血管疾病目前已經(jīng)引起了大眾廣泛的注意，并得到了高度的重視。根據(jù)社會(huì)需求，我們研發(fā)一套包含監(jiān)測(cè)分析、監(jiān)護(hù)預(yù)警的心電監(jiān)測(cè)設(shè)備則非常重要，其除具有心電監(jiān)測(cè)之外，便捷攜帶性和易操作性決定了其設(shè)備是否能夠普及。

1 前言

依據(jù)目前的市場(chǎng)需要，研發(fā)了一套可以用來監(jiān)測(cè)分析心電、防護(hù)預(yù)警并且可以長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)和隨身攜帶的針對(duì)人體活動(dòng)的微負(fù)荷的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。此系統(tǒng)根據(jù)心電信號(hào)特征以及對(duì)采集系統(tǒng)基本參數(shù)的要求，設(shè)計(jì)了針對(duì)活動(dòng)人體的微負(fù)荷的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。心電采集發(fā)射部分和心電數(shù)據(jù)接收處理部分支撐著整個(gè)硬件系統(tǒng)。此系統(tǒng)由采集部分、發(fā)射部分、電源板塊、信號(hào)采集發(fā)射板塊組成，心電數(shù)據(jù)接收處理部分由數(shù)據(jù)處理模塊、信號(hào)接收模塊以及通訊模塊構(gòu)成，并由PC機(jī)USB口供電。為此設(shè)計(jì)出一套功能齊全、使用便捷、攜帶便捷的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)會(huì)獲得廣大消費(fèi)群體的喜愛以及很好的發(fā)展前景。

2 整體功能設(shè)計(jì)

根據(jù)信號(hào)特征和采集系統(tǒng)基本參數(shù)的基本要求，設(shè)計(jì)了針對(duì)活動(dòng)人體的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。心電采集發(fā)射部分和心電數(shù)據(jù)接收處理部分支撐著整個(gè)硬件系統(tǒng)[1]。由心電采集、發(fā)射單模塊、電源、信號(hào)采集處理板塊、信號(hào)發(fā)射板塊組成，心電數(shù)據(jù)接收處理單元由心電數(shù)據(jù)處理板塊、信號(hào)接收板塊、通訊板塊組成，并由PC機(jī)USB口供電。整體系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。

（1）心電機(jī)理

人體體液中存在大量氯離子、鈉離子等正負(fù)離子，由于細(xì)胞膜對(duì)于離子的通透性不同，使細(xì)胞膜兩邊產(chǎn)生了電位差，細(xì)胞膜對(duì)于不同粒子的吸收作用不同而產(chǎn)生了生物電。心臟是由大量的心肌細(xì)胞組成的，其中每個(gè)心肌細(xì)胞都相當(dāng)于一個(gè)起電單位。當(dāng)心肌細(xì)胞處于安靜狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)存在的電位差稱為心肌細(xì)胞的靜息電位。對(duì)于大多數(shù)細(xì)胞來說，細(xì)胞膜外電位為正、細(xì)胞膜內(nèi)電位為負(fù)，電位差約為90mV，這種“外正內(nèi)負(fù)”的狀態(tài)稱為極化狀態(tài)。而當(dāng)心肌細(xì)胞受到神經(jīng)遞質(zhì)等因素的刺激而發(fā)生興奮時(shí)，處于興奮部位的膜電位會(huì)突然變化，通過改變離子通道將原來的“外正內(nèi)負(fù)”狀態(tài)迅速變?yōu)椤巴庳?fù)內(nèi)正”狀態(tài)，但這種電位變化只是短時(shí)間的，經(jīng)過短暫的變化，離子濃度會(huì)恢復(fù)原來狀態(tài)，膜電位自動(dòng)變?yōu)椤巴庹齼?nèi)負(fù)”的靜息電位，此過程稱為復(fù)極化。心肌細(xì)胞在不停地去極化、復(fù)極化過程轉(zhuǎn)換，這也就構(gòu)成了心電信號(hào)。

體表任何區(qū)域都可以記錄到心臟的電活動(dòng)。記錄心電流的方法是將電通過身體不同部位，將電極連接到心電圖信號(hào)采集器的正負(fù)兩極，微弱的心電流由導(dǎo)線進(jìn)入信號(hào)采集器再返回人體，通過構(gòu)成一個(gè)完整回路來對(duì)新電流進(jìn)行接受和處理，處理得到直觀的圖形輸出，并在終端顯示出心電圖。

（2）人體心電的采集發(fā)射板塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由獨(dú)立電源供電、放大電路和濾波組成，A/D由聚合電池直接供電。超低靜態(tài)電流CMOS現(xiàn)行穩(wěn)壓器ADP162提供nRF51822板塊的供電，模擬前端基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓由TI公司提供，其特點(diǎn)為低漂移低功耗。由于心電信號(hào)為毫伏級(jí)弱信號(hào)，因此很容易受到外界環(huán)境的影響。易混合手機(jī)等電信號(hào)，并存在溫度漂移基準(zhǔn)漂移等現(xiàn)象。由于心電信號(hào)內(nèi)阻高，所以要求前置信號(hào)采集輸入端要具有高輸入抗阻，以此來減小誤差，因此我們通過在心電信號(hào)的采集心電流回路中串接高電阻來減小誤差，通過接受串聯(lián)電阻兩端的電壓信號(hào)來獲得心電信號(hào)[2]。

信號(hào)放大器的性能決定生物信號(hào)放大電路的采集模塊輸入特性，因此我們選用由ADI生產(chǎn)的AD8236儀表放大器。將積分器連接到AD8236的負(fù)反饋中，以此來組成的高通濾波器用以消除信號(hào)的基線、零點(diǎn)漂移?？刂菩酒呛诵?，選用nRF51822微處理器，該芯片優(yōu)點(diǎn)為存在正常、空閑、掉電三種工作模式，對(duì)于低負(fù)荷設(shè)備來說具有極大優(yōu)勢(shì)，并且nRF5182將雙模式無線模塊集成，其采用私有協(xié)議的射頻模式，其模塊目前主流芯片兼容，兼容通過藍(lán)牙低功耗模式與藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行通訊。

（3）心電數(shù)據(jù)接收處理板塊

心電數(shù)據(jù)接收處理單元采用了嵌入式PDA設(shè)計(jì)，采用NXP公司LPC2400系列32位處理器，其是基于ARM1TDMI-S內(nèi)核的。通過PDA進(jìn)行中央處理的模塊設(shè)計(jì)具有界面美觀簡(jiǎn)潔、靈活、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。基于ARM1TDMI-S內(nèi)核的，編程采用內(nèi)嵌式，較容易實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔的界面設(shè)計(jì)。工具按鈕等軟件設(shè)計(jì)幫助實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集、顯示、保存的便捷性，并具有對(duì)波形進(jìn)行縮放、移動(dòng)和重放的功能。在完成無線數(shù)據(jù)的接收和分析之后，再通過USB將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD以做進(jìn)一步的顯示。通過無線模塊接收數(shù)據(jù)并通過串口輸出，并將其傳給LCD。

（4）軟件設(shè)計(jì)

科室PC服務(wù)器采用性能適中的電腦即可，通過RS232與心電終端有線連接，一次對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和儲(chǔ)存。PC端采用NI公司LabVIEW軟件及其附帶VISA驅(qū)動(dòng)來操作，其整體程序如圖2所示。通過串口來接收3組8位帶標(biāo)志位的數(shù)據(jù)，再通過標(biāo)志位對(duì)數(shù)據(jù)分類和拼接。接收心電信號(hào)之后可以進(jìn)行心電、心率實(shí)時(shí)顯示與圖像文件生成等操作；得到的心電信號(hào)圖像等文件可以通過Matlab等分析軟件對(duì)心電信號(hào)作進(jìn)一步處理和分析，以此判斷人體健康情況從而實(shí)現(xiàn)疾病預(yù)防。

數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)電機(jī)從人體來的數(shù)據(jù)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。首先初始化變量，然后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集模塊軟件處理流程如圖3所示。

3 系統(tǒng)分析功能

當(dāng)產(chǎn)品的信息搜集模塊手機(jī)、典型信號(hào)處理以及產(chǎn)品處理模塊構(gòu)建完之后便可初步投入使用，我們通過在不同的測(cè)試者身上進(jìn)行試驗(yàn)，收集測(cè)試者在睡覺、工作、吃飯、運(yùn)動(dòng)等一系列活動(dòng)時(shí)的心率情況收集起來，將分好類的心率信息輸入程序中，并對(duì)不同患者不同時(shí)間不同狀態(tài)下的心率進(jìn)行分析歸類。當(dāng)軟件收集到信息之后進(jìn)行分析，這樣便可記錄使用者的活動(dòng)情況以及分析出其健康狀況，并對(duì)患者做出相應(yīng)的參考建議。

4 結(jié)論

如今社區(qū)醫(yī)院醫(yī)療蓬勃的發(fā)展，家庭監(jiān)護(hù)設(shè)備有頗受大眾歡迎，在人們對(duì)移動(dòng)低功耗便攜帶高精度的健康檢測(cè)設(shè)備的需求正在不斷增加，通過開發(fā)出一款能針對(duì)手機(jī)人體活動(dòng)的微負(fù)荷心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)并對(duì)健康狀態(tài)的評(píng)估，以此來防范突發(fā)心血管疾病的健康系統(tǒng)具有重大意義，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)有傳感、處理分析、通信三個(gè)低功耗板塊，通過整體上協(xié)調(diào)配合以進(jìn)一步降低功耗的心電檢測(cè)分析系統(tǒng)，其方便攜帶、操作便捷，方便人們可以隨時(shí)隨地、方便快捷地查看自己身體的健康狀況，使人們生活得到保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 阮榮灣.基于STC單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)[J].科技展望，2016，（6）：54.

[2] 秦志強(qiáng).C51單片機(jī)應(yīng)用于C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：116.